港口时空演化对区域景观格局影响研究

郭子坚，刘俊舒，王文渊，张 祺（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）

港口时空演化对区域景观格局影响研究

郭子坚，刘俊舒，王文渊，张 祺
（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）

港口建设是影响港口城市景观格局变化的重要因素。本文基于景观生态学理论，应用Landsat遥感影像为数据源，提出港口城市景观格局分析方法，以大连市大窑湾区域为例，对1990—2015年期间2.5～10 km不同缓冲区的遥感影像进行土地利用分类，进行景观格局指数计算，并对计算结果进行影响模式分析和缓冲区分析，并提出水域监管、生态廊道建设、物种保护的措施建议。揭示了港口时空演化对区域景观格局的影响，对港口生态、港城互动、生态廊道建设等研究有借鉴意义。

景观格局；时空演变；港口

引 言

景观格局是指不同类型的大小和形状不一的土地利用斑块在空间上的排列，是景现异质性的具体表现。对于景观格局受影响因素变化的研究很多，刘世梁等［1］通过景观格局和过程的研究，从景观生态学理论入手，分析了道路对景观的影响，并提出了基于格局和过程的生态环境指数，进而得出道路综合生态风险评价的方法。Ouml等［2］通过景观连接度建立模型，帮助生态学者、环保规划和决策者在景观格局方面维护物种扩散和生态流动。陈利顶等［3］系统总结了城市化过程对景观格局演变的影响，分析了城市景观格局演变的生态服务效应等方面的研究进展。

港口区域是城市不可缺少的功能区域，是港口城市景观的重要组成部分［4］。目前港口建设对区域景观格局的影响研究集中在单一港口项目建设，单一生态系统，鲜有对港口时空演化对区域景观格局的影响的研究。周然等［5］对鸭绿江口湿地的土地利用状况进行景观分类，利用Landsat TM影像进行人机交互式判读解译，获得了该区域现状和丹东港规划完成后景观解译图，并开展了港口建设对湿地景观格局的影响及其生态效应的评估。浦静姣等［6］以营口港为例，基于GIS的港口总体规划景观结构分析，结合景观生态学指数，分析了港口地区景观结构在规划实施前后的特征及其变化，并探讨了港区景观结构变化对海岸带生态过程可能产生的影响。

本文应用景观生态学理论，提出了港口城市景观格局的分析方法，并以大连市大窑湾区域为例，对1990—2015年期间2.5～10 km不同缓冲区的遥感影像进行土地利用分类，进行景观格局指数计算，并对计算结果进行影响模式分析和缓冲区分析，提出改进措施。

1 港口区域用地类型分类

本研究以美国NASA发射的Landsat卫星获取的TM/ETM+影像为数据源，分辨率为30 m×30 m，应用遥感处理软件对遥感影像进行几何纠正和正射校正，并执行支持向量机（Support Vector Machine Classification）的监督分类。本研究将土地利用分类分为5类，如表1所示。

表1 港口区域土地利用类型的划分及含义

2 港口区域景观格局指标体系确定

景观格局分析通常采用景观生态学景观指标作为定量指标进行分析，通常可在3个水平上计算景观指数，斑块水平（patch-level）、斑块类型水平（class-level）和景观水平（landscape-level）。本研究选取斑块类型水平指标中的斑块类型面积（CA）、斑块所占景观面积比例（PLAND）和景观水平的形状指数LSI、聚集/分散度指数SPLIT和MESH、均匀度指数SHEI和MSIEI。各指标的生态意义及描述如下。

2.1 面积指数

1）斑块类型面积CA

CA度量的是景观的组分，也是计算其它指标的基础。它有很重要的生态意义，其值的大小制约着以此类型斑块作为聚居地的物种的丰度、数量、食物链及其次生种的繁殖等。

CA等于某一斑块类型中所有斑块的面积之和，一般以公顷为单位（ha）。

2）斑块所占景观面积比例PLAND

PLAND度量的是景观的组分，由于它计算的是某一斑块类型占整个景观的面积的相对比例，因而是帮助我们确定景观中模地（Matrix）或优势景观元素的依据之一，也是决定景观中的生物多样性、优势种和数量等生态系统指标的重要因素。

PLAND等于某一斑块类型的总面积占整个景观面积的百分比。

2.2 形状指数

面积加权平均形状指数LSI：

LSI是斑块周长与相同面积圆形斑块周长之比。当LSI数值越大，说明斑块形状越复杂。

式中：m为斑块类型数；eik为类型i与k的斑块之间相邻的总边缘长度；A为景观总面积。

2.3 景观聚集/分散度指数

聚集度是景观最重要的空间特征，常常是破碎化研究的核心问题。聚集度不是一个单纯表示某个独立格局特征的指数，而是一个融合了斑块面积、形状和边缘的综合性指数。

1）SPLIT

SPLIT表示根据某类斑块在整个景观中的加权平均面积计算的有效网格数，当某斑块类型或景观由许多小斑块构成时，SPLIT较大，说明该类斑块呈现较强的破碎化，或者该景观为细粒景观。

式中：A为整个景观的面积；aij为斑块ij的面积。

2）MESH

MESH与 SPLIT相对，表示将某类斑块分为SPLIT个时，斑块的平均大小。

2.4 均匀度指数

均匀度指数反映景观中各斑块类型在面积上的均匀程度。

1）Shannon-Weaver均匀度指数SHEI

式中：iP为斑块类型i在景观中出现的概率，通常以该类型占整个景观的面积比例来估算。

2）修正Simpson’s均匀度指数MSIEI

式中各符号含义同上。

3 算例与分析

选取大连市大窑湾区域为研究对象，收集1990、1995、2000、2005、2010、2015六年的Landsat卫星遥感数据，并分别对2.5 km、5 km、7.5 km、10 km四个不同缓冲区进行分析，执行上述土地类型分类方法，以10 km缓冲区为例，各年的土地类型分类结果如图1。

图1 各年的土地类型分类结果

对各年不同缓冲区的栅格数据进行景观格局指数计算，目前普遍使用的景观格局指数计算软件是美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的Fragstats，Fragstats计算精度较高，界面也更易于操作。以10 km缓冲区为例，计算得出的景观格局指数见表2和表3。

表2 10 km缓冲区斑块类型水平景观指数

表3 10 km缓冲区景观水平景观指数

3.1 景观格局指数分析

由表2可以看出，1990至2015年期间大窑湾区域水域、植被、山地或荒地3种生态用地类型均减少，其中水域面积减少2 521.89 ha，水域斑块所占景观比例下降9.18 %，植被用地面积减少1 059.3 ha，所占比例下降 4.74 %，山地或荒地面积减少6 282.36 ha，山地和荒地作为原优势斑块，在港口时空演变因素驱动下，斑块所占景观比例下降幅度最大，达到22.64 %。而城市用地斑块类型和港区斑块类型分别增长了8 871.84 ha和2 004.66 ha，所占景观比例分别增加29.7 %和6.86 %。

由表3可以看出，形状指数LSI从1990年至2015年呈下降趋势，说明区域斑块复杂性降低；聚集/分散度指数 SPLIT呈现先增长后下降趋势，MESH呈先下降后增长趋势，说明区域景观格局的破碎程度先增加后减少；均匀度指数SHEI和MSIEI均呈缓慢下降趋势，说明区域景观格局中各斑块在面积上的均匀程度缓慢下降。

3.2 景观格局影响模式分析

图2 不同缓冲区SPLIT变化

图3 不同缓冲区MESH变化

由景观聚集/分散度指数SPLIT和MESH变化（图2、图3）可以看出，大窑湾区域在2005年景观格局的破碎化达到最大，2005年后空间格局缓慢聚集。相关学者有过类似景观格局变化模式研究［7］，本研究认为大窑湾区域的港口时空演变为主要驱动因素对区域景观格局的影响经历以下阶段：

1）破碎阶段：港口建设初期，原生态景观为优势景观，由于港口的驱动因素，城市化向大窑湾区域发展，原景观出现碎裂，区域景观格局破碎化明显。景观破碎化是生物多样性降低的主因，对鸟类、爬行动物与小型哺乳动物的生存造成影响［8，9］。指数上表现为SPLIT呈现较大值，而MESH较小。如大窑湾区域1990年—1995年阶段。

2）聚集阶段：港口建设高速发展带动城市化进程加快，港城互动大幅增加，造成原以植被、山地或荒地和水域的生态用地面积减少，城市用地类型和港口用地增加，原本破碎化的生态斑块转变为城市用地和港区用地，区域景观破碎化水平降低。如大窑湾区域的1995年—2005年阶段。

3）平稳阶段：港口驱动因素城市化发展达到饱和，破碎化的生态用地较小斑块逐渐消失，破碎化水平趋于平稳或稍有回落。如大窑湾区域的2005年—2015年阶段。

3.3 景观格局影响缓冲区分析

将区域缓冲区分为2.5 km、5 km、7.5 km和10 km。以优势景观为研究对象，以城市用地和陆域生态用地（植被和山地或荒地）斑块平均变化率为依据，经计算，各缓冲区斑块呈明显梯度变化，7.5 km内研究对象斑块类型平均累计变化为82 %，7.5～10 km区域只占18 %。本研究认为港口时空演变对区域景观格局的主要影响范围为7.5 km。

3.4 措施建议

加强水域监管，港口水域是港口生态承载力的主要来源［10］，对填海造地项目进行更加严格的论证和监管，对水域污染加强监测和整治；生态廊道建设，生态廊道是景观的重要组成部分，具有栖息地、源、汇、通道、通道或过滤多重功能。加强生态廊道建设，大幅提升区域生态流动，对区域物种多样性，生态稳定性等有重要意义；重视物种保护，对国家自然保护区实行严格监管，严禁将国家自然保护区划入港口规划。

4 结 论

本研究应用景观生态学理论，建立港口为驱动因素的区域景观格局指数体系，并以大连市大窑湾区域为例，计算并分析了大窑湾区域的景观格局指数，探究大窑湾区域港口时空演变为驱动因素的区域景观格局“破碎-聚集-平稳”的影响模式，并以优势景观类型变化为依据对景观格局影响缓冲区进行分析，得出了港口对区域景观格局的主要影响范围为7.5 km，此外对港口区域生态景观改进提出措施建议。

［1］刘世梁，杨志峰，崔保山，等.道路对景观的影响及其生态风险评价—以澜沧江流域为例［J］.生态学杂志，2005，24（8）：897-901.

［2］Ouml，Bodin Rjan，Saura Santiago.Ranking individual habitat patches as connectivity providers：Integrating network analysis and patch removal experiments［J］.Ecological Modelling，2010，221（19）：2393-2405.

［3］陈利顶，孙然好，刘海莲.城市景观格局演变的生态环境效应研究进展［J］.生态学报，2013，33（4）：1042-1050.

［4］付博新.港口景观设计与评价方法研究［D］.大连：大连理工大学，2007.

［5］周然，彭士涛，覃雪波，等.港口建设对滨海湿地景观格局的影响及其生态效应［J］.水道港口，2012，33（3）：245-250.

［6］浦静姣，史晓雪，张浩，等.基于GIS的港口总体规划景观生态学分析［J］.环境科学研究，2007，20（2）：130-135.

［7］刘珍环，王仰麟，彭建，等.基于不透水表面指数的城市地表覆被格局特征—以深圳市为例［J］.地理学报，2011，66（7）：961-971.

［8］Zhu Ming，P U Lijie.Effects of varied remote sensor spatial resolution and grain size on urban landscape pattern analysis［J］.Acta Ecologica Sinica，2008，28（6）：2753-2763.

［9］Paul Opdam，Eveliene Steingröver，Sabine Van Rooij.Ecological networks：A spatial concept for multi-actor planning of sustainable landscapes［J］.Landscape & Urban Planning，2006，75：322-332.

［10］郭子坚，望灿，王文渊，等.基于生态足迹的港口生态承载力模型［J］.港工技术，2015，52（2）：48-51.

Impact of Port Space-time Evolution on Regional Landscape Pattern

Guo Zijian，Liu Junshu，Wang Wenyuan，Zhang Qi
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）

Port construction is an important factor that influences the landscape pattern of port city.By referring to the theory of landscape ecology，Landsat remote sensing image serves as data source，and an analysis method is proposed for the landscape pattern of port city.As for Dayao Bay in Dalian，the land use classification is carried out by analyzing the remote sensing images on different buffer zones within the range of 2.5～10 km from 1990 to 2015.And the index of landscape pattern is calculated.Based on the calculation results，the impact models and buffer zone analysis is made in order to propose relevant measures and suggestions for water area monitoring，ecological corridor construction and species protection.The research reveals the impact of port space-time evolution on regional landscape pattern，which can be used for reference in the construction of port ecology，port-city interaction and ecological corridor.

landscape pattern； space-time evolution； port

X171.1；U651

A

1004-9592（2016）05-0060-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160515

2016-02-14

郭子坚（1965-），男，教授，主要从事港口规划与港口物流研究。